Mapa de todo el cielo del modelo "halo + disco" más adecuado para la emisión de la línea de rayos gamma 511 keV. Crédito de la imagen: INTEGRAL. Click para agrandar.
El positrón, la contraparte antimateria del electrón, fue predicho por la ecuación cuántica de ondas de Paul Dirac, en ese momento revolucionario, para el electrón. Unos años más tarde, en 1932, Carl Anderson descubrió el positrón en los rayos cósmicos, y Dirac obtuvo el Premio Nobel en 1933 y Anderson en 1936.
Cuando un positrón se encuentra con un electrón, se aniquilan, produciendo dos rayos gamma. A veces, sin embargo, la aniquilación está precedida por la formación de positronio, que es como un átomo de hidrógeno con el protón reemplazado por un positrón (el positronio tiene su propio símbolo, Ps). El positronio se presenta en dos formas, es inestable y se descompone en dos gammas (dentro de aproximadamente 0.1 nanosegundos) o en tres (dentro de aproximadamente 100 nanosegundos).
Los astrónomos han sabido desde la década de 1970 que debe haber muchos positrones en el universo. ¿Por qué? Porque cuando un positrón y un electrón se aniquilan para dar dos gammas, ambos tienen la misma longitud de onda, aproximadamente 0.024 Å, o 0.0024 nm (los astrónomos, como los físicos de partículas, no hablan de las longitudes de onda de los rayos gamma, hablan de su energía; 511 keV en este caso). Entonces, si miras al cielo con visión de rayos gamma, ¡desde arriba de la atmósfera, por supuesto! - sabes que había muchos positrones porque puedes ver muchos gammas de un solo 'color', 511 keV (es similar a concluir que hay mucho hidrógeno en el universo al notar gran parte del rojo H (1.9 eV) H alfa en el cielo nocturno).
A partir del espectro de la desintegración de tres gamma del positronio, en comparación con la intensidad de línea de 511 keV, hace cuatro años, los astrónomos descubrieron que aproximadamente el 93% de los positrones cuya aniquilación vemos forman positronio antes de que decaigan.
¿Cuánto positronio? En el bulto de la Vía Láctea, se aniquilan cada segundo alrededor de 15 mil millones (toneladas) de toneladas de positrones. Eso es tanta masa como los electrones en decenas de billones de toneladas de cosas a las que estamos acostumbrados, como rocas o agua; casi tanto como en un asteroide de tamaño mediano, de 40 km de ancho.
Al analizar los datos INTEGRALES publicados públicamente (aproximadamente el valor de un año), J? Rgen Kn? Dlseder y sus colegas encontraron que:
- Los positrones que están siendo aniquilados en el disco de la Vía Láctea probablemente provienen de la desintegración beta + (es decir, positrones) de los isótopos Aluminio-26 y Titanio-44, que fueron producidos en supernovas recientes (recuerden, los astrónomos lo llamaron hace 10 millones de años) 'reciente')
- sin embargo, hay más positrones aniquilados en el bulto de la Vía Láctea que en el disco, por un factor de cinco
- no parece haber ninguna fuente de "punto".
Por supuesto, para un científico INTEGRAL, una fuente de "punto" no tiene el mismo significado que para un astrónomo aficionado. La visión de rayos gamma en la línea de positronio es increíblemente borrosa, ¡un objeto de seis lunas de diámetro (3?) Se vería como un "punto"! No obstante, Knüdlseder y su equipo de detectives de astrofísica pueden decir que "ninguna de las fuentes que buscamos mostró un flujo significativo de 511 keV"; Estos 40 "sospechosos habituales" incluyen púlsares, quásares, agujeros negros, restos de supernovas, regiones formadoras de estrellas, cúmulos de galaxias ricas, galaxias satélite y blazars. Pero todavía están buscando, "De hecho, hemos [planeado] observaciones INTEGRALES dedicadas de los sospechosos habituales, como las supernovas Tipo Ia (SN1006, Tycho) y LMXB (Cen X-4) que podrían ayudar a resolver este problema . "
Entonces, ¿de dónde provienen los 15 mil millones de toneladas de positrones que se aniquilan cada segundo en el bulto? "Para mí, lo más importante sobre la aniquilación de positrones es que la fuente principal sigue siendo un misterio", dice Knüdlseder. “Podemos explicar la débil emisión del disco por la desintegración de Aluminio-26, pero la mayor parte de los positrones están situados en la región abultada de la Galaxia, y no tenemos una fuente que pueda explicar fácilmente todas las características de observación. En particular, si compara el cielo 511 keV con el cielo observado en otras longitudes de onda, ¡reconoce que el cielo 511 keV es único! No hay otro cielo que se parezca a lo que observamos ”.
El equipo INTEGRAL siente que pueden descartar interacciones masivas de estrellas, colapsos, púlsares o rayos cósmicos, ya que si estos fueran la fuente de los positrones protuberantes, entonces el disco sería mucho más brillante con una luz de 511 keV.
Los positrones protuberantes pueden provenir de binarios de rayos X de baja masa, novas clásicas o supernovas de tipo 1a, a través de una variedad de procesos. El desafío en cada caso es comprender cómo suficientes positrones creados por estos podrían sobrevivir el tiempo suficiente y difundirse lo suficientemente lejos de sus lugares de nacimiento.
¿Qué pasa con las cuerdas cósmicas? Mientras que el reciente artículo de Tanmay Vachaspati proponiendo esto como una posible fuente de los positrones protuberantes salió demasiado recientemente para Knüdlseder et al. considerar para su artículo, “Sin embargo, para mí no es obvio que tengamos suficientes restricciones de observación para afirmar que las cadenas cósmicas hacen el 511 keV; ni siquiera sabemos si existen cadenas cósmicas. Uno necesitaría una característica única de las cuerdas cósmicas que excluyen todas las demás fuentes, y hoy creo que estamos lejos de esto ”.
Quizás lo más emocionante es que los positrones pueden provenir de la aniquilación de una partícula de materia oscura de baja masa y su antipartícula, o como Kn? Dlseder et al. Póngalo "aniquilación de materia oscura clara (1-100 MeV), como lo sugirieron recientemente Boehm et al. (2004), es probablemente la fuente candidata más exótica pero también la más emocionante de positrones galácticos ". La materia oscura es aún más exótica que el positronio; la materia oscura no es antimateria, y nadie ha podido capturarla, y mucho menos estudiarla en un laboratorio. Los astrónomos aceptan que es omnipresente y rastrear su naturaleza es uno de los temas más candentes tanto en astrofísica como en física de partículas. Si los miles de millones de toneladas por segundo de positrones que se aniquilan en la protuberancia de la Vía Láctea no pueden provenir de las novas clásicas o las supernovas termonucleares, entonces quizás la culpa sea de la buena materia oscura.
